좀 더 친환경적인 냉매 가스

음식을 신선하게 유지하는 것은 쉬운 일이 아니다. 먼 거리로 얼음을 운송하고, 독성 가스에 의존하는 해로운 시스템은 냉장고 역사의 한 장을 장식하고 있다. 비록 지난 20년간 냉동 기술이 꾸준한 발전을 했다 하더라도, 현대 냉동 기술은 여전히 환경에 빚을 지고 있으며, 이를 위한 해결책은 도전으로 남아 있다. 그러나 CO2 냉매 시스템과 새로운 냉매 분자 시험을 통해서, 미국 에너지부 산하 오크리지 국립 연구소의 Brian Fricke, 그리고 그의 연구진은 기존 냉각이 환경에 미치는 영향을 최소화하는 연구를 시행했다. “각 슈퍼마켓은 시스템을 유지하기 위하여 많은 냉매를 사용하고 있다. 이는 약 2~4천 파운드에 이르며, 이 중 20%가 매년 대기 중으로 누설되어, 온실가스를 일으킨다”고 ORNL 기술 연구소의 Fricke가 말했다.

수소불화탄소(hydrofluorocarbons, HFCs)는 오늘날 미국 슈퍼마켓 진열대에서 사용되는 가장 일반적인 냉매이다. HFCs는 1970년대 과학자들이 염소(chlorine)가 대기권 상층부의 오존을 분해한다는 것을 밝혀내면서, 단계적으로 프레온 가스 사용을 중단하고 있다. HFCs가 오존을 파괴하지는 않지만, 그들은 강력한 온실가스이다. “우리가 슈퍼마켓 시스템에서 볼 수 있는 전형적인 HFC의 예는 R404A이다. 그것은 약 3,000GWP를 포함하고 있다”고 Fricke가 말했다. GWP는 지구 온난화 지수로서, 온실가스의 역할을 하는 분자의 능력을 나타낸다. CO2가 1 GWP를 가진다고 정의한다면, R404A는 그 보다 거의 4,000배가 더 많다. “우리가 지금 사용하고 있는 냉매와 비교해 볼 때, CO2는 R404A보다 훨씬 낮은 온실가스”라고 Fricke가 말했다. 그의 연구실에서, Fricke는 전적으로 CO2에 의존하는 냉각 시스템을 설치하였다. 냉매로서, CO2는 거의 이상적이다. 왜냐하면, 그것은 오존에 영향을 주지 않는 불연성, 비독성 물질이며, 낮은 GWP를 가지고 있기 때문이다. 하지만 CO2가 완벽한 것만은 아니다. 열역학적 속성과 작동 압력, 그리고 온도가 냉각과 관련이 있기 때문에, CO2는 차가운 기온에서만 잘 작동한다. 미국 남부 같은 따뜻한 기후에서는, CO2를 냉각하는 것이 매우 어려우며, 냉각 시스템을 작동하는데 더 많은 에너지가 소요된다.

Fricke가 시행한 시험은 이러한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 그가 제안한 하나의 선택은 캐스케이드 시스템(cascade system)이며, 이는 CO2 사용과 더불어, R404A와 같은 기존의 냉매를 통합하는 것이다. R404A는 바깥의 더운 공기에 효율적으로 냉각되며, CO2를 냉각하는 데도 사용할 수 있다. R404A가 많은 GWP를 포함하고 있지만, 캐스케이드 시스템은 누설의 위험이 적으면서도, 소량의 R404A를 요구하는 슈퍼마켓 뒤쪽 기계실에서 이들의 누출을 제한한다. “따뜻한 기후에서, CO2는 더 많은 에너지를 소모하지만, 이를 누출된 냉매가 환경에 미치는 영향과 비교할 수는 없다. 만약 당신이 냉각 시스템에서 CO2를 사용한다면 CO2는 대기를 보호할 수 있으며, 온실가스로 인한 지구 온난화에 기여할 수 있을 것”이라고 Fricke가 말했다.

CO2의 냉각 품질을 조사하는 것 이외에도, Fricke는 Honeywell 사와 제휴 관계를 맺고, R404A를 대체할 또 다른 냉매를 연구하고 있다. 그가 Honeywell사와 연구하고 있는 냉매는 탄화불화올레핀(hydrofluoroolefin, HFO)이며, N40이라고 부른다. HFO는 처음에는 GWP 4를 가진다. 이는 CO2보다 약간 더 높은 수치이다. HFO는 약간 가연성이며, 다른 물질과의 혼합이 필요하다. HFO는 혼합물이 되면서, GWP를 1,300으로 올린다. 하지만 이는 R404A의 3,900GWP 보다는 상당히 적기 때문에, N40는 같은 냉각 시스템에서 R404A를 간단히 대체할 수 있는 장점을 지니고 있다. 슈퍼마켓 시스템에서 볼 때, 좀 더 친환경적인 체제를 위하여, 전체적으로 완전히 새로운 CO2 시스템을 설치할 수 있는 자원이 없어서, N40는 매력적인 대안이 아닐 수 없다. 낮은 GWP를 가진 것 이외에도, N40은 R404A보다 더 효율적이다. Fricke는 같은 냉각 시스템에서, 온도를 변화시키면서 시행한 R404A와의 비교 실험을 통해, N40이 약 10%의 효율성 향상을 가져온다는 것을 발견했다. “같거나, 좀 더 나으면서도, 낮은 GWP를 가진 R404A 대체 냉매를 찾았다는 것은 멋진 일이다. R404A의 대체물로서 쓰이는 것이 사실 N40의 의도이기도 하다”고 그는 말했다.

메릴랜드 대학과 함께, Fricke는 라이프 사이클 기후 성능(LCCP)이라는 소프트웨어를 설계했다. 기본적으로, LCCP는 냉각 시스템의 전체 수명 작동에서 발생하는 것에 상당한 CO2를 계산한다. 이 소프트웨어는 냉각의 모든 측면과 관련한 CO2 배출량을 고려한다. 이에는 제조, 운송, 조립, 보수, 전기 사용, 냉매 누설, 해체, 그리고 재활용 등이 포함되어 있다. LCCP는 또한 냉각 시스템 내에서의 부품 제작과 관련한 방출도 참작한다고 Fricke가 말했다. 이러한 요소들을 고려함으로써, 구매자는 환경적 요인을 좀 더 쉽게 고려할 수 있다. 그의 궁극적인 목표는 냉각의 지역성 특성을 연구하기 위하여, LCCP를 글로벌 도구로 사용하는 것이다. 이를 통해서 우리는 미국과 일본, 유럽, 또는 인도 등을 비교해 볼 수 있다. 사실, 유럽은 냉각에 대한 표준을 설정하였다고 그는 말했다. 이미 전 유럽에 걸쳐, 약 1,300개의 CO2 냉각 시스템이 있다. 미국은 오직 일리노이와 메인, 그리고 뉴욕을 합쳐 3개가 있을 뿐이다. “CO2는 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 관심을 받게 될 것이다. 식품 보존은 우리 생활에 필수적이다. 그것은 큰 에너지 사용자이며, 온실가스의 주범이기도 하다. 나는 이러한 시스템을 좀 더 효율적이고, 친환경적으로 바꿀 필요가 있다고 생각한다”고 그는 말했다.

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